Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Wie schwingen Atome in Graphen-Nanostrukturen?

Innovative neue Technik verschiebt die Grenzen der Nanospektrometrie für Materialdesign

14.08.2019

© Ryosuke Senga, AIST

Schematische Darstellung von lokalen Gitterschwingungen in Graphen, die durch eine Wellenfront von übertragenen schnellen Elektronen angeregt werden.

Um das Verhalten von modernen Materialien wie Graphen zu verstehen und für Bauelemente der Nano-, Opto- und Quantentechnologie zu optimieren, ist es entscheidend zu wissen wie Schwingungen zwischen den Atomen – sogenannte Phononen – die Materialeigenschaften beeinflussen. Forscher der Universität Wien, vom AIST und der Firma JEOL in Japan sowie der Universität La Sapienza in Rom haben nun eine neues Messverfahren entwickelt, das alle Phononen eines nanostrukturierten Materials bestimmen kann. Dies ist ein Durchbruch in der Analyse von Funktionsmaterialien und nanostrukturierten Bauelementen. Mit ihrem Pilotversuch konnten die Forscher am Beispiel von Graphen-Nanostrukturen die Einzigartigkeit ihres Ansatzes zeigen, welcher in der jüngsten Ausgabe vom Fachjournal Nature publiziert wird.

Wichtige thermische, mechanische, optoelektronische und Transport-Eigenschaften von Materialien werden von Phononen bestimmt, sich ausbreitenden Schwingungen zwischen den Atomen des Materials. Eine lokale Messung dieser Phononen ist von großer Bedeutung, wenn man nanoelektronische Bauelemente optimieren will. In der Nano- und Quantentechnologie spielen insbesonders zweidimensionale Materialien wie Graphen und deren Variationen in einem Graphen-Nanoband eine große Rolle. Bisher war es jedoch mit keiner herkömmlichen Methode möglich, alle Phononen einer einzelnen, freitragenden Schicht eines zweidimensionalen Materials zu bestimmen.

Neue Grenzen der Nanospektroskopie

Nun hat ein internationales Forschungsteam aus weltweit führenden ExpertInnen um Thomas Pichler an der Universität Wien und Kollaboratoren von der La Sapienza Universität in Rom, AIST Tsukuba und der Firma JEOL in Japan eine neue Methode entwickelt, die diese Hürde überwindet, und in einem Präzedenzfall auf Graphen-Nanostrukturen angewandt. Dazu verwendeten die Wissenschafter ein Elektronenmikroskop mit so großer Auflösung, dass es selbst eine einzelne Schicht von Atomen abbilden kann. Hochauflösende Elektronenspektroskopie in diesem Mikroskop ermöglichte es erstmals erfolgreich alle Schwingungen einer freitragenden Graphen-Schicht sowie die lokale räumliche Ausdehnung verschiedener Schwingungen in einem Graphen-Nanoband wie einen Fingerabdruck zu messen. Das innovative Verfahren, das sogenannte "large-q-mapping", eröffnet nicht nur komplett neue Möglichkeiten die atomaren Schwingungen von allen nanostrukturierten und zweidimensionalen Materialien bis hinunter zu einzelnen Atomschichten zu ermitteln. Es verschiebt auch die gegenwärtigen Grenzen der Nanospektroskopie zu einer berühmten Einschränkung der Quantenphysik, der Heisenbergschen Unschärferelation. Diese erlaubt es nur bis zu einer gewissen Genauigkeit, die die neue Elektronenspektroskopie-Technik beinahe erreicht, bestimmte Paare von Eigenschaften wie z.B. Ort und Impuls eines Teilchens gleichzeitig zu bestimmen.

Neues Elektronen-Nanospektrometer als 'Tisch-Synchrotron'

Der erfolgreiche direkte experimentelle Nachweis des vollständigen Fingerabdrucks lokaler atomarer Schwingungen aller Materialien sogar von einzelnen Schichten zweidimensionaler Materialien und Nanobändern und selbst in nicht-perfekten Strukturen wie Ecken, Kanten oder Defekten ist für das Verständnis und für die Optimierung der lokalen Eigenschaften eines Materials äußerst wichtig. In der Kombination von Mikroskopie und Spektroskopie war bis dato die simultane orts- und impulsabhängige Auflösung aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation eine der größten Herausforderungen. Die im Fachjournal Nature beschriebene neue Messtechnik stellt nun einen entscheidenden Schritt hin zur Nanospektroskopie aller Materialien durch Kombination von orts- und impulsabhängiger Messungen dar. "Wir sind überzeugt, dass unsere neue Methode die weitreichende Forschung in der Materialwissenschaft vorantreiben und die hochauflösende Elektronenspektroskopie in der Elektronenmikroskopie auf die nächste Stufe vorwärtsbringen wird. Man kann sich das neuartige Verfahren auch als echtes 'Tisch-Synchrotron' vorstellen", fasst Thomas Pichler von der Universität Wien, einer der Hauptautoren, zusammen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Universität Wien
  • News

    Atombilder zeigen ungewöhnlich viele Nachbarn für einige Sauerstoffatome

    Das Identifizieren neuer chemischer Bindungen ist entscheidend für das Entwickeln neuer Materialstrukturen. Physiker um Jani Kotakoski an der Universität Wien und Jannik Meyer von der Universität Tübingen haben unerwartete, neue Konfigurationen von Sauerstoff und Stickstoff in Graphen entde ... mehr

    Wie schnell Elektronenspins tanzen

    Metallverbindungen zeigen ein faszinierendes Verhalten in ihrer Wechselwirkung mit Licht, was zum Beispiel in Leuchtdioden, Solarzellen, Quantencomputern und sogar in der Krebstherapie angewendet wird. In vielen Fällen spielt dabei der Elektronenspin, eine Art Eigendrehung der Elektronen, e ... mehr

    2.000 Atome an zwei Orten gleichzeitig

    Das Prinzip der Quantenüberlagerung wurde in einer neuen Studie von Wissenschaftlern der Universität Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Basel, in einem bisher unerreichten Maßstab getestet. Heiße, komplexe Moleküle bestehend aus fast zweitausend Atomen wurden in eine Quantenüberlage ... mehr

  • Videos

    Wenn Chemiker mit Molekülen spielen

    Nuno Maulide und Leticia González von der Uni Wien haben eine neue Reaktion entwickelt, um sogenannte Heterozyklen billiger und umweltfreundlicher herzustellen. mehr

  • q&more Artikel

    Superfood & Alleskönner?

    Egal, ob die Web-Community abnehmen oder sich gesund ernähren will, Chia, das Superfood, ist immer dabei und gilt manchen als „Alleskönner“. Einschlägige Internet-Foren kommunizieren die verschiedensten Rezepte von Chia-Pudding und Chia Fresca, gefolgt von solchen für Muffins und sogar Marm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Susanne Till

    Jg. 1955, ist Universitätslehrerin und seit über 30 Jahren am Department für Ernährungswissenschaften der Universität Wien. Schwerpunkte in der Lehre der promovierten Biologin (Hauptfach Botanik) sind Botanik und Biologie, Gewürze und einheimische Wildpflanzen in der Humanernährung sowie Qu ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.